CN110768004B - 一种微带天线阵列解耦结构、方法以及采用该结构的微带天线阵列 - Google Patents

一种微带天线阵列解耦结构、方法以及采用该结构的微带天线阵列 Download PDF

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Abstract

一种微带天线阵列解耦技术，包括：金属地板；第一和第二微带天线单元；以及连接在第一和第二微带天线单元之间的解耦组件。所述解耦组件可以为集总电感，也可以为感性的金属枝节。本发明通过一种新型的解耦组件实现紧耦合微带天线单元之间的解耦。相比于传统的解耦方案，本发明提出的解耦组件兼具结构简单、尺寸小、成本低、宽带、单元辐射性能优异等优势，适用于微带天线阵列或者MIMO系统的解耦。

Description

一种微带天线阵列解耦结构、方法以及采用该结构的微带天 线阵列
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种微带天线阵列解耦结构、方法以及采用该结构的微带天线阵列。
背景技术
在阵列天线和多输入多输出(MIMO)天线系统中，天线单元之间的互耦会严重恶化阵列天线的辐射性能以及MIMO系统的分集性能。因此，实现近距离放置天线单元间的解耦对于阵列天线或MIMO系统的设计至关重要，可大幅提升天线的辐射和分集性能。然而，目前主流的解耦方案存在结构复杂，尺寸大，带宽窄，以及影响天线辐射性能等问题。例如，文献[“Microstrip antennas integrated with electromagnetic band-gap(EBG)structures:A low mutual coupling design for array applications,”F.Yang andY.Rahmat-Samii,《IEEE Trans.Antennas Propag.》,第51卷，2003年10月]提出的电磁带隙(EBG)结构和文献[“Planar soft surfaces and their application to mutualcoupling reduction,”E.Rajo-Iglesias，等，《IEEE Trans.Antennas Propag.》,第57卷,2009年12月]提出的软表面(Soft Surfaces)结构可以阻止微带天线单元间的表面波传播，从而实现互耦抑制，但是其结构复杂，且尺寸较大，无法在近距离放置的微带天线阵列中应用；文献[“Mutual coupling reduction between very closely spaced patch antennasusing low-profile folded split-ring resonators,”A.Habashi,等，《IEEE AntennasWireless Propag.Lett.》,第10卷，2011年]和[“Reducing mutual coupling of closelyspaced microstrip MIMO antennas for WLAN application,”J.Ouyang,等，《IEEEAntennas Wireless Propag.Lett.》,第10卷，2011年]提出的缺陷地(DGS)结构可以消除近距离放置微带天线单元之间的耦合，但是其解耦带宽极窄，并且由于地板开缝产生辐射导致方向图后瓣较大，单元增益下降。文献[“Mutual coupling suppression between twoclosely spaced microstrip antennas with an asymmetrical coplanar strip wall,”H.Qi,等，《IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.》,第15卷，2016年]通过金属墙和寄生枝节来阻隔和抵消近距离放置微带天线单元之间的耦合，但是金属墙会大大增加整个天线系统的高度，不利于实际应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微带天线阵列解耦结构、方法以及采用该结构的微带天线阵列，通过在两个近距离放置的微带天线之间连接一个电感或者感性枝节就可以实现强耦合微带天线单元间的解耦，并且可以在匹配带宽内达到18.7dB以上的单元隔离度，其结构简单、尺寸小、带宽适中且不影响天线单元辐射性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种微带天线阵列解耦结构，包括连接微带天线阵列中相邻两个微带天线单元的解耦组件4，所述解耦组件4为电感或者感性枝节。
所述电感为集总电感，所述感性枝节为金属枝节，金属枝节与其连接的两个微带天线单元共同构成完全连接的哑铃形结构。
所述微带天线阵列包括金属地板1，微带天线单元设置在金属地板1的上方，每个微带天线单元包括金属贴片、馈电点和馈电探针，相邻微带天线单元金属贴片之间间距越小，互耦越强；金属贴片与馈电探针直接连接进行激励，或者，金属贴片与馈电探针之间设有间距，通过能量耦合方式激励。
所述金属贴片为正方形、矩形、圆形、三角形或不规则多边形。
所述金属贴片印刷在介质基板上，或悬浮在空气介质中。
所述相邻两个微带天线单元通过中心对称放置，或通过平移对称放置。
所述相邻两个微带天线单元的组阵方式为E面组阵方式，或为H面组阵方式。
所述相邻两个微带天线单元的间距为2mm，均工作在半波长谐振的TM10模式，天线的中心工作频率为2.45GHz，所述电感采用2nH的0805封装贴片电感。
相应地，本发明提供了一种微带天线阵列解耦方法，在微带天线阵列中相邻两个微带天线单元之间连接解耦组件4，所述解耦组件4为电感或者感性枝节。
采用所述微带天线阵列解耦结构的微带天线阵列亦在本发明保护范围之内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
第一，本发明通过在两个紧耦合微带天线之间连接一个电感或者感性金属枝节即可实现解耦，相比于传统的解耦方案，本发明具有结构简单，尺寸小，成本低的优势。
第二，本发明所述解耦方法可以在较宽带宽内实现解耦，相比于传统的解耦方案，本发明具有宽带特性。
第三，本发明所述解耦方法不影响天线单元的辐射性能，相比于传统的解耦方案，本发明具有更好的辐射方向图，更高的单元增益和前后比。
综上所述，本发明提出了一种结构简单、尺寸小、成本低、宽带、单元辐射性能优异的微带天线解耦方案，适用于微带天线阵列或者MIMO系统的解耦。
附图说明
图1为本发明结构的俯视图。
图2为本发明结构的侧视图。
图3为实施例一的结构和尺寸示意图，其中包括(a)俯视图和(b)侧视图。
图4为实施例一中解耦组件4选择不同电感数值时对S参数影响的仿真结果，其中包括(a)第一(或第二)微带天线单元的反射系数以及(b)第一和第二微带天线单元间的传输系数。
图5对比了实施例一中设有与不设有解耦组件4对第一(或第二)微带天线单元辐射方向图的影响，其中包括(a)E面辐射方向图以及(b)H面辐射方向图。
图6为实施例二的结构示意图。
图7为实施例三的结构示意图。
图8为实施例四的结构示意图。
图9为实施例五的结构示意图。
具体实施方式
本发明为一种微带天线阵列解耦技术。根据设计示意，给出了五个具体实施例，下面结合附图予以说明。
实施例1
参照图1和图2，本发明微带天线阵列解耦结构，其中微带天线阵列包括金属地板1和设置在金属地板1上方的两个微带天线单元，即第一微带天线单元2和第二微带天线单元3，两者之间设有间距，解耦主要依赖连接第一微带天线单元2和第二微带天线单元3的解耦组件4实现，本实施例中，解耦组件4采用集总电感。
第一微带天线单元2和第二微带天线单元3结构以及尺寸、材料完全一致，第一微带天线单元2包含有第一金属贴片21、第一馈电点22和第一馈电探针23，第二微带天线单元3包含有第二金属贴片31、第二馈电点32和第二馈电探针33。第一金属贴片21与第一馈电探针23直接连接进行激励，馈电点位置为第一馈电点22，第二金属贴片31与第二馈电探针33直接连接进行激励，馈电点位置为第二馈电点32。
第一金属贴片21和第二金属贴片31之间间距越小，第一微带天线单元2和第二微带天线单元3之间的互耦越强。
如图3为实施例1的具体结构和尺寸示意图。微带天线阵列的中心工作频率为2.45GHz。金属地板1的尺寸为200×200mm2。第一微带天线单元2与第二微带天线单元3呈现中心对称关系。第一金属贴片21和第二金属贴片31均为正方形，尺寸均为58×58mm2，均工作在半波长谐振的TM10模式。第一金属贴片21和第二金属贴片31距离金属地板1的高度为5mm，与金属地板1之间为空气介质。
第一馈电点22距离第一金属贴片21左侧边缘的距离为12mm，第二馈电点32距离第二金属贴片31右侧边缘的距离为12mm。第一金属贴片21和第二金属贴片31之间的间隔仅为2mm(0.016波长)，因此在不设解耦组件4的情况下，第一微带天线单元2和第二微带天线单元3之间具有非常强的互耦。解耦组件4为连接在第一和第二金属贴片之间的0805封装(尺寸：2.0×1.2mm2)贴片电感，电感值为2纳亨。
如图4(a)所示为贴片电感选择不同感值时对第一(或第二)微带天线单元反射系数的影响。当不设解耦组件4时，由于互耦的影响，第一(或第二)微带天线单元的反射系数严重恶化(大于-10dB)。当设有解耦组件4时，第一(或第二)微带天线单元的反射系数得到改善，并且随着解耦组件4电感值的减小，反射系数逐渐变好，在L＝2纳亨时达到了最佳阻抗匹配状态，此时的天线工作带宽为2.39～2.50GHz(4.5％)。如图4(b)所示为贴片电感选择不同感值时对第一微带天线单元2和第二微带天线单元3隔离度的影响。当不设解耦组件4时，第一微带天线单元2和第二微带天线单元3之间的隔离度仅为5dB。当设有解耦组件4时，第一微带天线单元2和第二微带天线单元3之间的隔离度得到改善，并且随着电感数值的减小，第一微带天线单元2和第二微带天线单元3之间的隔离度逐渐提升，在L＝2纳亨时达到最佳隔离度，在整个工作带宽内隔离度都高于18.7dB。因此，解耦组件4可以有效抑制第一微带天线单元2和第二微带天线单元3之间的互耦，从原来的强耦合状态(隔离度5dB)变成高隔离状态(隔离度18.7dB)，并且随着互耦的消除，天线单元的阻抗匹配也得以改善。
如图5所示为设有与不设有解耦组件4时对第一(或第二)微带天线单元辐射方向图的影响。当不设有解耦组件4时，由于第一微带天线单元2和第二微带天线单元3之间存在强耦合，因此单元辐射方向图会发生恶化：E面方向图出现波束分裂，边射方向增益显著下降；当加入解耦组件4后，天线单元辐射方向图得到明显的改善，其中边射方向的天线增益为8.9dBi，前后比为25dB，且天线波束没有发生倾斜，具有较好的对称性。
实施例2
如图6为实施例2的结构示意图。相比于实施例1，实施例2的单元排布形式发生了变化，具体不同点在于：第一馈电点22的位置与第一金属贴片21右侧靠近；第二馈电点32的位置与第二金属贴片31左侧靠近。在这种排布方式下，通过连接一个解耦电感依然可以实现解耦。
实施例3
如图7为实施例3的结构示意图。相比于实施例1，实施例3的单元排布形式发生了变化，具体不同点在于：第一微带天线单元2和第二微带天线单元3从实施例1中的中心对称排布变成了平移对称排布，即第一馈电点22和第二馈电点32均分别与第一金属贴片31和第二金属贴片32的左侧(或右侧)靠近。在这种排布方式下，通过连接一个解耦电感依然可以实现解耦。
实施例4
如图8为实施例4的结构示意图。相比于实施例1至3，实施例4的单元组阵方式发生了变化，具体不同点在于：实施例1至3均为E面组阵，即沿着电场极化方向组阵，而实施例4为H面组阵，即沿着磁场极化方向组阵。在这种组阵方式下，通过一个解耦电感依然可以实现解耦。
实施例五：
如图9为实施例5的结构示意图。相比于实施例1，实施例5的解耦组件形式发生了变化，具体不同点在于：实施例1中的解耦组件4为连接在第一微带天线单元2和第二微带天线单元3之间的集总电感，而实施例5中的解耦组件4为连接在第一微带天线单元2和第二微带天线单元3之间的金属枝节，金属枝节与两个微带天线单元共同构成完全连接的哑铃形结构。由于金属连接枝节具有等效的电感效应，因此在尺寸合适的情况下也可以实现解耦。此外，在实施例2至4的排布方式下也可以通过金属枝节实现解耦。
在本发明更多的实施例中，金属贴片与馈电探针之间可设有间距，通过能量耦合方式激励。金属贴片还可以为矩形、圆形、三角形或不规则多边形等各种形状。而金属贴片也可悬浮在空气介质中。本发明的微带天线阵列中微带天线单元的个数可以扩展至四个、八个或者多行多列的二维平面阵列。在多个单元或二维平面阵列的形式下，解耦组件4依然为在每两个相邻微带天线单元之间连接电感或者感性枝节。
综上所述，本发明提出了一种兼具结构简单、尺寸小、成本低、宽带、辐射性能优异的微带天线解耦方案，适用于微带天线阵列或者微带天线MIMO系统的解耦。

Claims (10)

1.一种微带天线阵列解耦结构，其特征在于，包括连接微带天线阵列中相邻两个紧耦合微带天线单元的解耦组件（4），所述解耦组件（4）为电感或者感性枝节，连接在两个微带天线单元的金属贴片上。
2.根据权利要求1所述微带天线阵列解耦结构，其特征在于，所述电感为集总电感，所述感性枝节为金属枝节，金属枝节与其连接的两个微带天线单元共同构成完全连接的哑铃形结构。
3.根据权利要求1所述微带天线阵列解耦结构，其特征在于，所述微带天线阵列包括金属地板（1），微带天线单元设置在金属地板（1）的上方，每个微带天线单元包括金属贴片、馈电点和馈电探针，相邻微带天线单元金属贴片之间间距越小，互耦越强；金属贴片与馈电探针直接连接进行激励，或者，金属贴片与馈电探针之间设有间距，通过能量耦合方式激励。
4.根据权利要求3所述微带天线阵列解耦结构，其特征在于，所述金属贴片为正方形、矩形、圆形、三角形或不规则多边形。
5.根据权利要求3或4所述微带天线阵列解耦结构，其特征在于，所述金属贴片印刷在介质基板上，或悬浮在空气介质中。
6.根据权利要求1所述微带天线阵列解耦结构，其特征在于，所述相邻两个微带天线单元通过中心对称放置，或通过平移对称放置。
7.根据权利要求1所述微带天线阵列解耦结构，其特征在于，所述相邻两个微带天线单元的组阵方式为E面组阵方式，或为H面组阵方式。
8.根据权利要求1所述微带天线阵列解耦结构，其特征在于，所述相邻两个微带天线单元的间距为2mm，均工作在半波长谐振的TM10模式，天线的中心工作频率为2.45 GHz，所述电感采用2nH的0805封装贴片电感。
9.一种微带天线阵列解耦方法，其特征在于，在微带天线阵列中相邻两个紧耦合微带天线单元之间连接解耦组件（4），所述解耦组件（4）为电感或者感性枝节，连接在两个微带天线单元的金属贴片上。
10.一种采用权利要求1所述微带天线阵列解耦结构的微带天线阵列。
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